¿Qué tan general es la Teoría de la Relatividad General?

Ya sea pluma, manzana o ladrillo: en el vacío, cuando no hay fricción y solo actúa la gravedad, todos los cuerpos caen a la misma velocidad. La teoría de la relatividad general de Einstein, en concreto el principio de equivalencia, predice esto y corresponde al modelo actual de la física. Sin embargo, existen dudas — al menos en lo que respecta a los extremos. Experimentos en el espacio con sensores cuánticos deben ahora esclarecer la situación.

“A escala cósmica de galaxias, las leyes de la gravitación no explican por qué el universo se ha desarrollado de la forma en que lo conocemos”, dice Andreas Wicht, director del grupo de trabajo de Metrología Láser en el Instituto Ferdinand-Braun, Instituto Leibniz para Tecnología de Alta Frecuencia (FBH). “Y a nivel microscópico, por debajo de cien micrómetros, no existe ninguna comprobación experimental de la validez de la ley de la gravitación, tal como la conocemos.”

Verificar la validez del principio de equivalencia a nivel atómico es el objetivo del proyecto conjunto QUANTUS III, en el que participan las universidades de Hannover, Hamburgo, Ulm, Mainz, Darmstadt, Bremen y la HU-Berlin, así como el FBH. “Específicamente, nos preguntamos: ¿caen los átomos de rubidio exactamente a la misma velocidad que los de potasio?”, explica Andreas Wicht, quien desarrolla con su equipo en el FBH la plataforma tecnológica láser para un llamado interferómetro atómico, un sensor cuántico que pronto será utilizado en el espacio.

Desde finales de los años 1980, se llevan a cabo “experimentos de caída de átomos” a escala de laboratorio. Pero las diferencias sospechadas en las velocidades de caída son tan mínimas — en el mejor de los casos en la décima decimal — que se necesitan tiempos de medición muy largos para mediciones suficientemente sensibles. Solo en el espacio se pueden alcanzar. Sin embargo, las mesas de medición de unos 2 x 2 metros son demasiado incómodas para esto. Desde mediados de los años 1990, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) financia experimentos y tecnologías relacionadas. Ya se han realizado experimentos en la torre de caída de Bremen, que con una altura de más de 100 metros permite una caída libre de cuatro segundos en un tubo de vacío. “Aquí se pudo demostrar que el experimento funciona en principio. Pero el tiempo de medición sigue siendo demasiado corto.”

¿Cómo funciona el “experimento de caída”? “Los átomos actúan prácticamente como sensores”, explica Wicht. En ingravidez, los átomos junto con el equipo de medición están en caída libre. Primero, se frena el movimiento térmico de los átomos de ambos tipos con pulsos de luz de cierta frecuencia hasta que los átomos están casi en reposo, porque se enfrían casi hasta el cero absoluto. Con más pulsos láser, los átomos se manipulan para que se encuentren en estados específicos, que solo pueden describirse mediante la física cuántica, por lo que también se les llama sensores ópticos cuánticos. La acción de los pulsos láser y, por tanto, el resultado de la medición del sensor óptico cuántico, dependen muy sensible de la frecuencia y fase de los pulsos de luz. Si los átomos de estos dos tipos se aceleraran de manera diferente, la frecuencia y fase de los pulsos láser tendrían que ajustarse de manera diferente para ambos tipos, en respuesta al efecto Doppler resultante de esa aceleración diferente. “Este diferencia, si es que existe, hay que medirla”, explica Wicht.

En el FBH se ha desarrollado el “kit de herramientas de luz” para ello, una especie de órgano de luz sincronizado compuesto por diferentes láseres diodicos de banda estrecha, microespejos y otros componentes ópticos miniaturizados. “Podemos integrar dos de estos chips en un sustrato cerámico. Alrededor de ellos, se construyen las microópticas”, cuenta Wicht. “Todo el sistema láser consistirá en seis u ocho de estos módulos y será aproximadamente 1000 veces más pequeño en volumen que un producto convencional.” Estará herméticamente sellado, solo el cable de fibra óptica que conecta con la cámara de experimentos sobresale.

En la torre de caída de Bremen, el sistema ya ha demostrado su viabilidad para el uso en cohetes. En abril de 2015, se realizarán experimentos en un cohete de ascenso que alcanzará unos 100 kilómetros de altura. Hasta la reentrada en la atmósfera terrestre, queda un período de seis minutos de ingravidez para el experimento. Más tarde, se realizarán experimentos similares en un satélite o en la estación espacial ISS.

¿Un esfuerzo bastante grande solo para refutar a Einstein, o no? Andreas Wicht ríe. “Podría pensarse así. Pero cuando se desarrolló el GPS, nunca se pensó que hoy estaría disponible en cada smartphone. Y así, más allá del experimento atómico, la tecnología de los sensores cuánticos quizás no sea una aplicación cotidiana, pero sí una aplicación técnica especialmente relevante.” Además de mediciones de velocidad y aceleración, con ellos se pueden realizar, por ejemplo, mediciones de densidad y determinaciones de ubicación muy precisas en la Tierra.

El gobierno británico invirtió recientemente 270 millones de libras en la comercialización de sensores cuánticos. Mientras que hoy, para determinar la ubicación exacta, se necesita acceso a un satélite GPS, que podría fallar, los sensores cuánticos navegan sin GPS, solo necesitan un punto de referencia conocido. A diferencia del GPS, también funcionan en las profundidades del océano desde submarinos. “El segundo gran campo de aplicación será la exploración”, añade Wicht. “Los átomos en el sensor caen más rápido sobre yacimientos minerales que sobre rocas normales. También se pueden explorar yacimientos de petróleo y niveles de agua subterránea.”

Gran Bretaña invierte, EE. UU. planea experimentos en la ISS — y ¿qué hace Alemania? El comité del programa de Tecnologías Ópticas identificó, en el marco de la agenda Fotónica 2020 para el BMBF, la sensórica cuántica como una tecnología prometedora para el futuro. “Pero eso es papel”, dice Wicht. “Lo que realmente necesitamos al final es dinero para más investigación, una decisión política.” Por ahora, Alemania se encuentra en una buena posición, ya que el DLR financia estos trabajos. “Pero debemos tener cuidado de no perder nuestra buena posición.”

Para los investigadores básicos como Andreas Wicht, el comercio no es lo principal. Para ellos, se trata de la física pura. Albert Einstein probablemente se habría divertido al ver que la Tierra no basta para comprender los límites de sus ideas geniales.